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별들의 유형을 그들의 색깔과 절대밝기의 관계에 따라 분류하여 현대 천문학의 토대를 이루는 중요한 업적을 이루었다.

항성에 관한 헤르츠스프룽-러셀도(圖)는 그의 이름을 부분적으로 딴 것이다. 1913년에는 은하간 거리측정의 도구라고 할 수 있는 세페이드 변광성의 광도계급을 확립했다.

그는 정식으로 천문학 교육을 받은 적은 없었고, 덴마크의 공과대학에서 공부한 뒤 화학기술자가 되었다. 사진 화학에 큰 흥미를 느껴 1902년 천문학으로 진로를 바꾸어 덴마크의 작은 천문대에서 일하며, 별빛의 측정에 사진을 이용했다. 1905, 1907년에 출판한 두 논문에서 별의 색깔과 실제 밝기 사이에는 특별한 관계가 있으며, 거대한 별과 작은 별이 존재함을 밝혔다. 항성의 색과 실제 밝기와의 상호관계는 별의 분광시차(지구로부터 별까지의 거리)를 알아내는 데 널리 쓰이는 방법의 기초가 되었다. 별의 스펙트럼은 절대등급을 나타내는 믿을 만한 지표가 되기 때문에 별까지의 거리는 겉보기등급과 절대등급의 관계로부터 유도해낼 수 있다.

포츠담에 있는 천문대의 책임자인 K. 슈바르츠실트는 이 연구에 큰 감명을 받아 1909년 헤르츠스프룽을 괴팅겐 천문대의 직원으로 채용했으며, 같은 해에 포츠담의 선임 천문학자로 임명했다. 1919년 헤르츠스프룽은 네덜란드 레이덴의 대학천문대 부대장으로 임명되었으며 1935년에는 대장이 되었다. 헤르츠스프룽은 1945년에 퇴임한 뒤 덴마크로 돌아왔다.